本發(fā)明屬于流體力學,尤其涉及基于流變儀仿真的微結構尺寸參數優(yōu)化方法、系統(tǒng)及產品。
背景技術:
1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關的背景技術信息,不必然構成在先技術。
2、流變儀作為常用的測試微結構減阻效果的檢測方式,以其精度高、檢測效果優(yōu)異、使用便捷而廣泛使用。然而,目前缺少流變儀測試微結構減阻性能并對微結構參數進行優(yōu)化的仿真方法。
3、在航空、船舶、運輸等領域廣泛存在著流體阻力,減小這些阻力可以有效地提高能源效率,節(jié)約能源。水泵等旋轉機械作為能源消耗大戶,被廣泛地應用在工農業(yè)生產的各個領域。利用仿生微結構對流體阻力進行降低是一種廣泛應用的方法。
4、目前通常使用有限體積法仿真來對微結構減阻性能進行預測和分析,然而流變儀作為測量微結構減阻的常用實驗方法,卻缺少對其的仿真預測及設計優(yōu)化方法。
技術實現思路
1、為了解決上述背景技術中存在的至少一項技術問題,本發(fā)明提供基于流變儀仿真的微結構尺寸參數優(yōu)化方法、系統(tǒng)及產品,其對簡化后的流變儀建立模型,并將其與具有微結構的表面相結合,利用有限體積法對流變儀測試減阻的情況進行仿真模擬可以大幅降低實驗成本以及實驗次數,分析其減阻機理與減阻率的對應關系,并且利用仿真與正交分析相結合以指導微結構的參數設計和結構優(yōu)化。
2、為了實現上述目的,本發(fā)明采用如下技術方案:
3、本發(fā)明的第一方面提供基于流變儀的微結構參數優(yōu)化仿真方法,包括如下步驟:
4、根據流變儀的整體尺寸選取微結構參數,計算微結構參數尺寸的取值范圍;
5、基于微結構尺寸參數的取值范圍設計正交表;
6、基于正交表和構建的流變儀測試微結構減阻效果仿真模型,對不同微結構參數進行流體動力學仿真,得到不同微結構參數尺寸下的流場信息;
7、對不同微結構參數尺寸下的流場信息,進行不考慮各微結構參數間交互作用的方差分析,得到不同微結構參數尺寸在流變儀不同轉速下對減阻率和壁面剪切力的影響趨勢;
8、對不同微結構參數尺寸下的流場信息,進行考慮各微結構參數交互作用的響應曲面擬合,將不同微結構參數尺寸在流變儀不同轉速下對減阻率和壁面剪切力的影響趨勢作為因變量,優(yōu)化得到流變儀不同轉速下對應的最優(yōu)微結構尺寸參數。
9、進一步地,微結構參數的取值范圍的計算公式為:
10、,
11、,
12、,
13、其中,即為無量綱化的微結構參數,是具有量綱的結構尺寸;是流體的運動粘度;是壁面剪切速度;是壁面剪切應力;為流體的密度;為水力直徑。
14、進一步地,所述基于微結構參數的取值范圍設計正交表包括:設計得到的正交表為三因素五水平正交表,三因素對應三個變量,即微結構的底、間距、高,五水平代表每個變量有五個不同的取值,根據正交表確定不同仿真的微結構參數。
15、進一步地,流變儀測試微結構減阻效果仿真模型的尺寸的確定包括:轉子的建模尺寸和整體流域尺寸直徑和轉子直徑、轉子底面樣品和轉子直徑之間的關系。
16、進一步地,對不同微結構參數進行流體動力學仿真時,包括仿真參數的確定,所述仿真參數包括邊界條件、采用的算法、模型的精度及收斂條件、網格的劃分和網格的精度驗證。
17、進一步地,所述對不同微結構參數進行流體動力學仿真,得到不同微結構參數尺寸下的流場信息,包括:
18、針對流場過軸線的微結構的截面,提取微結構邊緣處的速度沿y坐標的變化規(guī)律,分析其速度梯度,提取率大于轉子部分的湍流動能沿y坐標的變化規(guī)律,分析其湍流動能。
19、進一步地,以具有間距的等腰三角形作為微結構,選取的微結構參數包括三角形的底、高和間距。
20、進一步地,減阻率根據統(tǒng)計轉子受到的扭矩計算得到,所受的壁面剪切力根據壁面剪切力對待測樣品的上表面進行積分得到。
21、本發(fā)明的第二方面提供基于流變儀的微結構參數優(yōu)化仿真系統(tǒng),包括:
22、微結構參數初步確定模塊,其用于根據流變儀的整體尺寸選取微結構參數,計算微結構參數尺寸的取值范圍;
23、正交表設計模塊,其用于基于微結構尺寸參數的取值范圍設計正交表;
24、正交仿真模塊,其用于基于正交表和構建的流變儀測試微結構減阻效果仿真模型,對不同微結構參數進行流體動力學仿真,得到不同微結構參數尺寸下的流場信息;
25、參數優(yōu)化模塊,其用于對不同微結構參數尺寸下的流場信息,進行不考慮各微結構參數間交互作用的方差分析,得到不同微結構參數尺寸在流變儀不同轉速下對減阻率的影響趨勢;對不同微結構參數尺寸下的流場信息,進行考慮各微結構參數交互作用的響應曲面擬合,將不同微結構參數尺寸在流變儀不同轉速下對減阻率的影響趨勢作為因變量,優(yōu)化得到流變儀不同轉速下對應的最優(yōu)微結構尺寸參數。
26、本發(fā)明的第三方面提供一種計算機可讀存儲介質。
27、一種計算機可讀存儲介質,其上存儲有計算機程序,該程序被處理器執(zhí)行時實現如上述所述的基于流變儀的微結構參數優(yōu)化仿真方法中的步驟。
28、本發(fā)明的第四方面提供一種計算機設備。
29、一種計算機設備,包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序,所述處理器執(zhí)行所述程序時實現如上述所述的基于流變儀的微結構參數優(yōu)化仿真方法中的步驟。
30、與現有技術相比,本發(fā)明的有益效果是:
31、1、本發(fā)明對簡化后的流變儀進行模型的建立,并將其與具有微結構的表面相結合,利用有限體積法對流變儀測試減阻的情況進行仿真模擬可以大幅降低實驗成本以及實驗次數,分析其減阻機理與減阻率的對應關系,并且利用仿真與正交分析相結合以指導微結構的參數設計和結構優(yōu)化。
32、2、本發(fā)明通過建立流變儀與微結構表面相結合的模型,研究了不同結構參數、不同轉速下微結構的減阻率,從速度、湍流動能等方面分析了其減阻機理,彌補了流變儀減阻實驗沒有仿真分析機理的缺陷。
33、3、本發(fā)明通過指定壁面剪切力(specified?shear)模擬水平面、指定移動壁面(moving?wall)模擬轉子的方式,更加貼合流變儀實驗過程的實際情況,與實驗數據偏差為10%以下,具有指導意義。
34、4、本發(fā)明通過方差分析與響應曲面分析相結合,得出了流變儀不同轉速下的更貼合實際的最優(yōu)微結構減阻參數以及減阻率隨結構參數的變化規(guī)律,從而得到流變儀不同轉速下對應的最優(yōu)微結構尺寸參數。
35、本發(fā)明附加方面的優(yōu)點將在下面的描述中部分給出,部分將從下面的描述中變得明顯,或通過本發(fā)明的實踐了解到。
1.基于流變儀仿真的微結構參數優(yōu)化方法,其特征在于,包括如下步驟:
2.如權利要求1所述的基于流變儀仿真的微結構參數優(yōu)化方法,其特征在于,微結構參數的取值范圍的計算公式為:
3.如權利要求1所述的基于流變儀仿真的微結構參數優(yōu)化方法,其特征在于,設計得到的正交表為三因素五水平正交表,三因素對應三個變量,即微結構的底、間距、高,五水平代表每個變量有五個不同的取值,根據正交表確定不同仿真的微結構參數。
4.如權利要求1所述的基于流變儀仿真的微結構參數優(yōu)化方法,其特征在于,流變儀測試微結構減阻效果仿真模型的尺寸的確定包括:轉子的建模尺寸和整體流域尺寸直徑和轉子直徑、轉子底面樣品和轉子直徑之間的關系。
5.如權利要求1所述的基于流變儀仿真的微結構參數優(yōu)化方法,其特征在于,對不同微結構參數進行流體動力學仿真時,包括仿真參數的確定,所述仿真參數包括邊界條件、采用的算法、模型的精度及收斂條件、網格的劃分和網格的精度驗證。
6.如權利要求1所述的基于流變儀仿真的微結構參數優(yōu)化方法,其特征在于,所述對不同微結構參數進行流體動力學仿真,得到不同微結構參數尺寸下的流場信息,包括:
7.如權利要求1所述的基于流變儀仿真的微結構參數優(yōu)化方法,其特征在于,以具有間距的等腰三角形作為微結構,選取的微結構參數包括三角形的底、高和間距。
8.如權利要求1所述的基于流變儀仿真的微結構參數優(yōu)化方法,其特征在于,減阻率根據統(tǒng)計轉子受到的扭矩計算得到,所受的壁面剪切力根據壁面剪切力對待測樣品的上表面進行積分得到。
9.基于流變儀仿真的微結構參數優(yōu)化系統(tǒng),其特征在于,包括:
10.一種程序產品,所述程序產品為計算機程序產品,包括計算機程序,其特征在于,所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現如權利要求1-8中任一項所述的基于流變儀仿真的微結構參數優(yōu)化方法中的步驟。